电磁波传播基本知识及天线原理ppt课件

电磁波传播基本知识及天线原理 StockCode 2342 HK 京信通信未来无限延伸 一 电磁波传播基础知识 三 天线主要性能参数 二 天线辐射原理 四 天线分类 无线电波的定义 一 电磁波传播基础知识 无线电波是一种信号和能量的传播形式 在传播过程中 电场和磁场在空间中相互垂直 且都垂直于传播方向 E H S满足右手螺旋特例 垂直的线极化随时间变化随空间变化 无线电波的传播方向 一 电磁波传播基础知识 正交特性 电生磁 磁生电 无线电波的波长 频率与传播速度的关系其中 波长 C f 式中 C为光速 f为工作频率 为波长 一 电磁波传播基础知识 要点 在相同的介质中 不同频率下 天线的工作波长不同 频率越高 波长越短 天线的电性能与电长度 波长 对应 物理长度则需要进行换算 无线电波的极化无线电波在空间传播时 其电场方向是按一定的规律而变化的 这种现象称为无线电波的极化 无线电波的极化是由电场矢量在空间运动的轨迹确定的 如果电波的电场方向垂直于地面 我们就称它为垂直极化波 如果电波的电场方向与地面平行 则称为水平极化波 一 电磁波传播基础知识 特例 线极化垂直的 水平的 一 电磁波传播基础知识 圆极化 椭圆极化 线极化 左旋 右旋 垂直 水平 天线极化 是指电场矢量在空间运动的轨迹 一 电磁波传播基础知识 特例 线极化垂直的 水平的 偏斜的 双极化天线 由两组正交的辐射单元组成 一 电磁波传播基础知识 1 互补 完备不相关 正交 90度 规划工作 2 相当 平衡工作 45 45 胜任工作 3 高效 XPD 降低损耗 专注工作 多径传播 电波在传播过程中 除直接传播外 遇到障碍物 例如 山丘 森林 地面或楼房等高大建筑物 还会产生反射和绕射 因此 到达接收天线的电磁波 不仅有直射波 还有反射波 绕射波 透射波 这种现象就叫多径传输 一 电磁波传播基础知识 由于多径传播使得信号场强分布复杂化 波动很大 也由于多径传输的影响 会使电波的极化方向发生变化 扭转 因此 有的地方信号场强增强 有的地方信号场强减弱 另外 不同的障碍物对电波的反射能力也不同 为降低多径传输效应的影响 一般采用空间分集或极化分集来接收 极化扭转 空间分集 单极化天线极化分集 双极化天线 一 电磁波传播基础知识 绕射传播 电波在传播途径上遇到障碍物时 总会力图绕过障碍物 再向前传播 这种现象叫做电波的绕射 信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关 还和频率有关 频率越高 建筑物越高 越近 影响越大 相反 频率越低 建筑物越矮 越远 影响越小 一 电磁波传播基础知识 因此 选择基站场地以及架设天线时 一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响 要点 近处 水平 垂直主波束 10dB内无遮挡 京信通信未来无限延伸 一 电磁波传播基础知识 三 天线主要性能参数 二 天线辐射原理 四 天线分类 天馈系统简介 基站天线在整个网络建设中占经费比例不到3 但它对网络性能的影响却超过60 在实际网优工作中 通过天线的选择与调整是简单但收效最大的方法 强化天线的性能和品质起着四两拨千斤的作用 天线 二 天线辐射原理 天线的定义能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置 二 天线辐射原理 天线功能 能量转化 空间电磁波 定向辐射 接收 电缆内高频电流 效率要求 追求高效率 方向图要求 满足特定空间分布要求 进得去 出得来 天线的辐射原理 二 天线辐射原理 半波振子是天线的基本辐射单元 波长越长 天线半波振子越大 天线半波振子 二 天线辐射原理 水平面 垂直面 1 4波长 1 2波长 半波振子示例 二 天线辐射原理 天线辐射方向图 用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力 一般为三维辐射立体图 单个辐射单元 多单元阵列 二 天线辐射原理 实际评判中是其转化成的二维平面图形 即水平面方向图及垂直面方向图 水平面 二 天线辐射原理 天线辐射方向图 垂直面 同一款基站天线有多种设计方案来实现 设计方案涉及到天线的以下四部分 1 辐射单元 对称振子or贴片 阵元 2 反射板 底板 3 功率分配网络 馈电网络 4 封装防护 天线罩 馈电网络 天线组成部件 二 天线辐射原理 振子 反射板 天线罩 京信通信未来无限延伸 一 电磁波传播基础知识 三 天线主要性能参数 二 天线辐射原理 四 天线分类 三 天线主要性能参数 无论天线还是其他通信产品 总是在一定的频率范围 频带宽度 内工作 其取决于指标的要求 通常情况下 满足指标要求的频率范围即可为天线的工作频率 一般来说 在工作频带宽度内的各个频率点上 天线性能是有差异的 因此 在相同的指标要求下 工作频带越宽 天线设计难度越大 天线工作频率 辐射参数主瓣 副瓣 半功率波束宽度 增益 波束下倾角 前后比 交叉极化鉴别率 上旁瓣抑制 下零点填充 天线辐射方向图 三 天线主要性能参数 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 半功率波束宽度 在方向图主瓣范围内 相对最大辐射方向功率密度下降至一半时的角域宽度 也叫3dB波束宽度 水平面的半功率波束宽度叫水平面波束宽度 垂直面的半功率波束宽度叫垂直波束宽度 三 天线主要性能参数 水平面波束宽度每个扇区的天线在最大辐射方向偏离 60 时到达覆盖边缘 需要切换到相邻扇区工作 在 60 的切换角域 方向图电平应该有一个合理的下降 电平下降太多时 在切换角域附近容易引起覆盖盲区掉话 电平下降太少时 在切换角域附近覆盖产生重叠 导致相邻扇区干扰增加 三 天线主要性能参数 理论仿真和实际应用结果表明 在密集建筑的城区 由于多径反射严重 为了减小相邻扇区之间的相互干扰 在 60 的电平下降至 10dB左右为好 反推半功率宽度约为65 而在空旷的郊区 由于多径反射少 为了确保覆盖良好 在 60 的电平下降至 6dB左右为好 反推半功率宽度约为90 水平面波束宽度 波束偏斜及方向图一致性决定了覆盖区方位向的性能好坏 多径反射传播 P 1 R nn 2 4 60 电平设计 市区n 3 3 59 10 5dB下降郊野 n 2 6dB下降 水平面波束宽度 三 天线主要性能参数 三 天线主要性能参数 波束偏移 最大辐射方向偏离天线法线方向的角度 建议以2 为指标 方向图一致性 表征双极化天线 45 极化方向图各角度方向辐射场强的偏差程度 建议考察 60 边缘的场强偏差 3dB为指标 或者3dB点的角度差 2 为指标 波束偏移较大 方向图一致性较差时 会使覆盖区距离向相邻扇区的交叠区域发生变化 对距离向覆盖带来不利影响 65 6 0 5dB 1dB 60 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 垂直面波束宽度及电下倾角精度 决定了网络覆盖区中距离向性能的好坏 观察图3 1的垂直面方向图 波束应该适当下倾 下倾角度最好使得最大辐射指向图3 1中目标服务区的边缘 如果下倾太多 黄色 服务区远端的覆盖电平会急剧下降 如果下倾太少 覆盖在服务区外 且产生同频干扰问题 三 天线主要性能参数 图3 1垂直面波束下倾角的设置 电下倾角度 最大辐射指向与天线法线的夹角 三 天线主要性能参数 夹角 法线方向 最大辐射方向 6 5 9 12 1 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 前后比 30 25dB 2dB 抑制同频干扰或导频污染的重要指标通常仅需考察水平面方向图 的前后比 并特指后向 30 范围内 的最差值 前后比指标越差 后向辐射就越大 对该天线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大 特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比 比如基站背向区域有超高层建筑物 后向功率 前向功率 三 天线主要性能参数 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 P1 系指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线 通常采用理想点源 在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值 天线增益 三 天线主要性能参数 天线增益 方向图和天线尺寸之关系 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 它是选择基站天线重要的参数之一 天线增益越高 方向性越好 能量越集中 波瓣越窄 增益越高 天线长度越长 三 天线主要性能参数 增益 影响覆盖距离指标合理选择增益 提高天线增益 覆盖的距离增大 但同时会压窄波束宽度 导致覆盖的均匀性变差 天线增益的选取应以波束和目标区相配为前提 为了提高增益而过分压窄垂直面波束宽度是不可取的 只有通过优化方案 实现服务区外电平快速下降 压低旁瓣和后瓣 降低交叉极化电平 采用低损耗 无表面波寄生辐射 低VSWR的馈电网络等途径来提高天线增益才是正确的 三 天线主要性能参数 高增益天线垂直方向图 低增益天线垂直方向图 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 交叉极化比 极化分集效果优劣的指标为了获得良好的上行分集增益 要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性 即在 60 的扇形服务区内 交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的降低 其差别 交叉极化比 在最大辐射方向应大15dB 在 60 内应大于10dB 最低门槛也应该大于7dB 如图所示 如此 才可以认为两个极化接收到的信号互不相关 三 天线主要性能参数 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 副瓣抑制第一副瓣 30度内副瓣 上侧栅瓣 16dB 抑制同频干扰或导频污染的辅助指标对于城区建筑物密集的应用场景 一方面因通信容量大要求缩小蜂窝 另一方面因楼房遮挡和多径反射 难以实现大距离覆盖 通常采用增益13 15dBi的低增益天线 大下倾角做微蜂窝覆盖 从而 主波束的上侧第一 二旁瓣指向前方同频小区的可能性很大 这就要求在设计天线时 设法对上旁瓣进行抑制 从而降低干扰 三 天线主要性能参数 dy 0 77 25 kdysin 117 2 61 90 155 119 三 天线主要性能参数 周期性单元间距对副瓣抑制的影响 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 下零点填充 在某些特殊场景有限减少盲点的辅助指标在天线设计时 对下零点进行适当填充 就可能减少掉话率 但零点填充要适可而止 当对零点填充要求较高时 增益损失较大 得不偿失 对于低增益天线 由于波瓣较宽 应用时通常下倾角较大 下旁瓣不参与覆盖 不需要进行零点填充 三 天线主要性能参数 多径的影响 导致近距离零点效应不明显或者消失 参照Kathrein 三 天线主要性能参数 根据天线辐射参数对网络性能影响程度 可分类如下 方向图圆度 评估全向天线均匀覆盖效果的指标仅需考察水平面方向图的圆度 评估举例 指标为 1dB 所有频点都需要优于该指标 三 天线主要性能参数 电压驻波比 VSWR 为传输线上的电压最大值与电压最小值之比 天线电路参数 驻波比 隔离度 三阶互调 电压驻波比 当天线端口没有反射时 就是理想匹配 驻波比为1 当天线端口全反射时 驻波比为无穷大 三 天线主要性能参数 电压驻波比是天线高效率辐射的基本指标要求 在全频段内考察VSWR 取最大值为指标 驻波告警 评估举例 指标为1 5 所有频点都需要优于该指标 三 天线主要性能参数 隔离度 是指某一极化接收到的另一极化信号的比例 一般指双极化天线中两个极化直接的隔离 28dB 驻波告警 三 天线主要性能参数 三阶交调确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度 107dBm 在全频段内考察PIM3 取最大值为指标 可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平 特别是物料生产及装配过程的质量控制能力 三 天线主要性能参数 互调干扰的必要条件 足够强的互调信号电平 能够落入到系统接收频带 三 天线主要性能参数 三 天线主要性能参数 天线主要参数计量单位 三 天线主要性能参数 计量单位说明 1 dB相对值 表征两个量的相对大小关系 如A的功率比B的功率大或小多少个dB时 可按10log A功率值 B功率值 计算 举例 A功率值为2W B功率值为1W 即A相比B多了一倍 换算成dB单位为 10log 2W 1W 3dB2 dBmdBc表征功率绝对值的量 也可认为是以1mw功率为基准的一个比值 计算为 10log 功率值 1mw 举例 功率值为10w 换算成dBm为10log 10w 1mw 40dBm 3 dBi及dBd均表征天线增益的量 也是一个相对值 与dB类似 只是dBi及dBd有固定的参考基准 dBi的参考基准为全方向性理想点源 dBd的参考基准为半波振子 举例 0dBd 2 15dBi 京信通信未来无限延伸 一 电磁波传播基础知识 三 天线主要性能参数 二 天线辐射原理 四 天线分类 1 单频天线2 双频天线3 多频天线 四 天线分类 按集采招标类型分 1 全向天线2 定向单极化天线3 定向双极化天线4 电调天线 按天线频段系统分 全向天线 指天线的辐射在水平面上360 均匀辐射 也就是平常所说的无方向性 在垂直面上表现为有一定宽度的波束 全向天线一般用在话务量极低的农村或郊野某些较空旷的场合 一般采用全向11dBi天线 水平面垂直面 全向天线 四 天线分类 定向单极化天线 定向单极化天线是一种在空间特定方向上具有比其它方向上能更有效地发射或接收电磁波强度的天线 单极化天线进行空间分集时 一个扇区需要安装需要两幅天线 一副只用于发射 接收时两副同时工作 为保证分集接收效果 两副天线在安装时需平行且在同一平面上 定向单极化一般也应用于较空旷的区域 以保证空间分集接收获得良好的效果 四 天线分类 水平面垂直面 双极化天线内部采用 45度极化 有两个射频端口 实际使用时一端口用于接收和发送 另一个端口仅接收 利用极化分集的原理 每个扇区只需布置一副双极化天线即可 由于双极化天线在城区应用可以获得良好的极化分集效果 且选址和安装较空间分集天线更为简单 已成为城区建站的主要应用类型 定向双极化